劉小娥，蘇世平，吳玉山，魏星星，張帥杰

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

中國(guó)半干旱區(qū)限制旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題是水資源匱乏，該區(qū)年降水量少且分布不均勻，60%以上的降水主要集中在7～9月份，且四季分明，早春氣溫低，嚴(yán)重的限制了糧食作物的產(chǎn)量[1-2].地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用顯著的改善了半干旱區(qū)的這種現(xiàn)狀，尤其是近年來(lái)的地膜覆蓋和溝壟相結(jié)合的全膜雙壟集雨溝播栽培技術(shù)，被認(rèn)為是半干旱區(qū)提高土地生產(chǎn)力的創(chuàng)新技術(shù)[3].地膜覆蓋增加土壤含水量[4-5]，提高表土層溫度[4]，進(jìn)而活化土壤養(yǎng)分[6]，提高養(yǎng)分的有效性和水分利用效率[7]，但這使土壤的水分和養(yǎng)分過(guò)度消耗，從而降低了土地的生產(chǎn)力[8].秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的生物資源，其中豐富的N/P/K等是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的營(yíng)養(yǎng)元素.秸稈還田能改善土壤的物理性質(zhì)，增加土壤微生物量碳和氮的含量，增加土壤酶的活性[9]，增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤肥力[10].Zhao等的研究表明，長(zhǎng)期的秸稈還田對(duì)耕層土壤全氮含量的增加可達(dá)2%～16%[11].

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，植物主要吸收土壤中的無(wú)機(jī)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)，而土壤中95%以上的氮素是以有機(jī)氮的形式存在，因此，必須經(jīng)過(guò)礦化作用將土壤中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成為無(wú)機(jī)氮才能夠被植物吸收利用.前人的試驗(yàn)大多只研究地膜覆蓋的方式或秸稈還田的方式對(duì)土壤氮素礦化的影響，而對(duì)地膜覆蓋結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤氮素礦化的研究較少.本研究采用地膜覆蓋和秸稈還田相結(jié)合的模式，研究不同模式下土壤微生物量碳和氮，土壤氮素的凈礦化速率、凈消化速率和凈銨化速率的變化規(guī)律，為探索土壤氮素循環(huán)影響機(jī)制和優(yōu)化田間管理措施提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)在甘肅省榆中縣小康營(yíng)鄉(xiāng)，N 104°05′，E 35°54′，海拔2 013 m.年平均氣溫6.6 ℃，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，最高氣溫出現(xiàn)7月份；年降雨量為563.0 mm，年際間降雨不均，其中70%集中在7～9月份，屬于降水偏多的年份.無(wú)霜期130 d，≥10 ℃積溫2 134.0 ℃.試驗(yàn)地土壤為黃綿土，其中砂粒含量為6.5%，粉粒含量為71.2%，粘粒含量為22.3%.0～15 cm土壤pH值為8.4，土壤容重為1.19 g/cm3，土壤全氮含量為1.0 g/kg，土壤有機(jī)碳含量為9.8 g/kg，土壤無(wú)機(jī)氮含量為24.4 mg/kg，速效磷含量為13.6 mg/kg.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組，壟溝交替(分為大小2個(gè)壟面，小壟高15 cm，寬40 cm，大壟高10 cm，寬70 cm的種植方式，設(shè)4個(gè)處理，分別為裸地(CK)、秸稈還田(S)、地膜覆蓋(M)、秸稈還田加地膜覆蓋(MS)，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為39.6 m2(6.6 m×6.0 m).2018年4月初進(jìn)行整地，基肥施尿素600 kg/hm2(含N 46%)，過(guò)磷酸鈣750 kg/hm2(含P2O512%).秸稈還田處理將上一年小區(qū)中收獲的玉米秸稈，全部粉碎后(0.25 mm)均勻的施于地表，還田量為5 400 kg/hm、翻耕、起壟、覆膜處理進(jìn)行全膜覆蓋，于4月26日播種，玉米品種為‘酒單4號(hào)’，種植密度為52 500株/hm2(株距為35 cm).

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤溫度的測(cè)定：在玉米生長(zhǎng)發(fā)育的開(kāi)花期(7月16日)左右，連續(xù)3 d(7月15、16、17日)測(cè)定每個(gè)小區(qū)的土壤溫度，從早上8∶00到晚上18∶00，每隔2 h測(cè)定1次，每天6次的平均溫度為當(dāng)天日間平均溫度，連續(xù)3 d日平均氣溫的平均值作為7月16日的土壤溫度.

在玉米生長(zhǎng)發(fā)育的開(kāi)花期(7月16日)左右，每個(gè)小區(qū)采集土壤0～15 cm土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室，過(guò)2 mm篩，進(jìn)行土壤樣品的測(cè)定.

土壤含水量：采用烘干法測(cè)定；

土壤微生物量碳和氮：采用氯仿熏蒸法測(cè)定；

土壤無(wú)機(jī)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)：采用凱氏定氮法測(cè)定.

土壤氮素礦化的試驗(yàn)：采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法測(cè)定.稱取20 g新鮮土樣放入100 mL的三角瓶中，均勻的加入6 mL的蒸餾水，用封口膜封口(用牙簽扎幾個(gè)小孔，保持通氣)，放入25 °C的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，在整個(gè)過(guò)程中采用恒質(zhì)量法加水.在培養(yǎng)的14和28 d，取出三角瓶，進(jìn)行硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測(cè)

定.通過(guò)下列公式計(jì)算土壤氮素的礦化量和凈礦化速率：

土壤氮素凈礦化量(mg/kg)=培養(yǎng)后的土壤無(wú)機(jī)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和)-培養(yǎng)前的土壤無(wú)機(jī)氮

土壤氮素的凈礦化速率(mg/(kg·d))= 土壤氮素凈礦化量/培養(yǎng)天數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行分析，采用單因素方差分析對(duì)比各處理之間的差異.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤溫度和土壤含水量的影響

在玉米生長(zhǎng)發(fā)育的開(kāi)花期，地膜覆蓋顯著降低了土壤溫度(P≤0.05)，秸稈還田對(duì)土壤溫度的影響不顯著(P>0.05)，而地膜覆蓋和秸稈還田對(duì)土壤溫度具有顯著的交互作用(P≤0.05，表1).地膜覆蓋處理(F)較裸地處理(CK)土壤溫度降低了6.48%，地膜覆蓋加秸稈還田處理(MS)較秸稈還田處理(S)降低了8.91%，處理之間差異顯著(P≤0.05，表1)；單純的地膜覆蓋或秸稈還田較裸地對(duì)土壤含水量沒(méi)有顯著影響(P>0.05)，而地膜覆蓋加秸稈還田(MS)顯著的降低了土壤含水量(P≤0.05)，較地膜覆蓋(F)、秸稈還田(S)和裸地(CK) 3個(gè)處理分別降低了14.01%、15.03%和13.96%，地膜覆蓋和秸稈還田對(duì)土壤含水量有顯著的交互作用(P≤0.05，表1).

表1 不同處理下土壤水分、溫度、微生物量C、N、無(wú)機(jī)氮的變化

ns表示檢驗(yàn)沒(méi)有顯著性，*表示在0.05水平上的顯著性，**表示在0.01水平上的顯著性，***表示在0.001水平上的顯著性.

ns not significant； * Significant atP≤0.05；** significant atP≤0.01;*** significant atP≤0.001.

2.2 不同處理對(duì)土壤微生物量碳和微生物量氮含量的影響

地膜覆蓋和秸稈還田均不同程度的增加了土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的含量，且二者之間有交互作用(P≤0.05，表1).地膜覆蓋處理較沒(méi)有地膜覆蓋土壤微生物量碳和微生物量氮含量分別增加了13.83%和23.38%，秸稈還田處理較沒(méi)有秸稈還田處理土壤微生物量碳和微生物量氮含量分別增加了5.17%和8.81% (表1).

2.3 不同處理對(duì)土壤氮素凈礦化量的影響

地膜覆蓋和秸稈還田對(duì)土壤氮素的凈氨化量均沒(méi)有顯著的影響，二者也沒(méi)有交互作用(P>0.05，表2).

地膜覆蓋和秸稈還田對(duì)土壤氮素的凈硝化量和凈礦化量均有顯著的影響，且二者存在交互作用(P≤0.05)，各處理0～14 d培養(yǎng)的土壤氮素凈硝化量和凈礦化量均顯著大于14～28 d培養(yǎng)的(P≤0.05，表2).0～14 d培養(yǎng)期間，地膜覆蓋處理較沒(méi)有地膜覆蓋土壤氮素凈硝化量和凈礦化量分別增加了122.17%和112.37%，秸稈還田處理較沒(méi)有秸稈還田處理土壤氮素凈硝化量和凈礦化量分別增加了22.46%和21.32%(表2)；14～28 d培養(yǎng)期間，地膜覆蓋處理較沒(méi)有地膜覆蓋土壤氮素凈硝化量和凈礦化量分別增加了83.34%和81.46%，在沒(méi)有地膜覆蓋時(shí)，秸稈還田處理和不還田處理土壤氮素凈硝化量和凈礦化量無(wú)顯著差異，在有地膜覆蓋時(shí)，秸稈還田處理較不還田處理土壤氮素凈硝化量和凈礦化量分別增加了64.86%和62.40%(表2).

表2 不同處理土壤氮素礦化量

ns表示檢驗(yàn)沒(méi)有顯著性，*表示在0.05水平上的顯著性，**表示在0.01水平上的顯著性，***表示在0.001水平上的顯著性.

ns not significant； * Significant atP≤0.05；** significant atP≤0.01;*** significant atP≤0.001.

2.4 不同處理對(duì)土壤氮素凈礦化速率的影響

地膜覆蓋和秸稈還田均對(duì)土壤氮素的凈氨化速率沒(méi)有顯著的影響，二者也無(wú)交互作用(P>0.05，表3).地膜覆蓋和秸稈還田不同程度的顯著增加了土壤氮素的凈硝化速率和凈礦化速率的含量，且二者有顯著的交互作用(P≤0.05)，其增加的幅度與土壤氮素硝化量和礦化量相同(表3)，是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)的過(guò)程中土壤氮素的銨化量不到總礦化量的10%.

表3 不同處理土壤氮素礦化速率

ns表示檢驗(yàn)沒(méi)有顯著性，*表示在0.05水平上的顯著性，**表示在0.01水平上的顯著性，***表示在0.001水平上的顯著性.

ns not significant； * Significant atP≤0.05；** significant atP≤0.01;*** significant atP≤0.001.

2.5 不同處理對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量的影響

地膜覆蓋和秸稈還田對(duì)土壤銨態(tài)氮含量均沒(méi)有顯著影響，且二者無(wú)交互作用(P>0.05)，土壤銨態(tài)氮的含量較低，不到土壤無(wú)機(jī)氮的5% (表1).地膜覆蓋和秸稈還田對(duì)土壤的硝態(tài)氮和無(wú)機(jī)氮均有顯著的影響(P≤0.05)，且二者存在交互作用(P≤0.05，表1).地膜覆蓋處理較沒(méi)有地膜覆蓋土壤硝態(tài)氮和無(wú)機(jī)氮含量分別增加了109.44%和107.96%，秸稈還田處理較沒(méi)有秸稈還田處理土壤硝態(tài)氮和無(wú)機(jī)氮含量分別增加了14.60%和14.38%(表1).

3 討論

在玉米生長(zhǎng)發(fā)育的開(kāi)花期，地膜覆蓋和秸稈還田較裸地土壤含水量和土壤溫度沒(méi)有顯著差異，甚至有降低的趨勢(shì)，是因?yàn)榈啬じ采w在玉米生長(zhǎng)發(fā)育的前期，能顯著的提高土壤溫度[12-15]和增加土壤含水量[4,16-20]，促進(jìn)了玉米生長(zhǎng)發(fā)育的進(jìn)程，增加了玉米的地上和地下生物量[3-4]；秸稈還田抑制土壤水分的蒸發(fā)，改善土壤的持水特性[21-25]，并給土壤提供養(yǎng)分，促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育[26-27].在玉米生長(zhǎng)發(fā)育的開(kāi)花期，玉米的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)達(dá)到最大，地膜覆蓋處理和秸稈還田處理均具有較高的地上和地下生物量，有較大的郁閉度并需要吸收利用了更多的土壤水分，所以增溫保墑的效果不明顯.

土壤微生物量碳和氮是土壤有機(jī)碳中最活躍的部分，能夠調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的礦化、固定，反映土壤的生物活性和土壤養(yǎng)分的有效性.地膜覆蓋改變了土壤的水熱條件，增加了土壤酶和微生物的活性[28-30]，增加了土壤氮素的礦化速率[31-34].秸稈還田為土壤微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，顯著增加土壤的微生物量[35]，促進(jìn)土壤氮素的礦化[36-38]，已有研究結(jié)果表明，秸稈還田后土壤微生物量氮會(huì)在短期內(nèi)迅速增加并達(dá)到峰值，之后逐漸減少并趨于穩(wěn)定[39-40].朱春茂等通過(guò)對(duì)甜玉米/白三葉草秸稈還田碳氮礦化的研究，結(jié)果表明白三葉草秸稈還田能促進(jìn)土壤氮素的礦化[38].土壤氮素礦化速率的增加，在一定程度上增加了土壤的氮素的有效性[41].李貴桐通過(guò)秸稈還田對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究表明：秸稈還田提高了植物氮素利用率，促進(jìn)了土壤硝化反應(yīng)的進(jìn)程，使得土壤硝態(tài)氮的含量增加，另外，秸稈還田引起土壤氮素礦化的正激發(fā)效應(yīng)，從而增加了土壤無(wú)機(jī)氮的含量[42-43].

4 結(jié)論

地膜覆蓋結(jié)合秸稈還田處理顯著降低了土壤溫度和土壤含水量；地膜覆蓋和秸稈還田均增加了土壤微生物量碳和微生物量氮的含量；在室內(nèi)培養(yǎng)的0～14 d和14～28 d，地膜覆蓋和秸稈還田顯著增加了土壤氮素的凈硝化速率和凈礦化速率，從而增加了土壤氮素的消化量和礦化量；地膜覆蓋和秸稈還田處理下土壤礦化速率的增加增加了土壤無(wú)機(jī)氮的含量.